粉末涂料在汽车车厢上的应用研究

0 引言

　　随着国家和社会对环境的日益关注和重视，自2006年12月1日起开始强制执行汽车制造业清洁生产和涂装标准，对汽车涂装工业的三废排放制定了各种严格的限制。粉末涂料以其利用率达到99％，无废水废渣废气(三废)排放等技术特点，具有明显的环保和节能优势，并可极大地降低汽车车身及零部件的涂装成本。为此我们开展了粉末涂料在汽车车厢上的应用研究。

　　1 粉末涂装工艺及装备应用条件

　　1.1 粉末涂料的特点

　　粉末涂料由树脂、颜填料、固化剂、助剂组成，无溶剂，具有明显的环保优势。根据不同的外观、硬度、柔韧性，耐化学性，耐侯性等的性能要求，可应用具有相应性能特点的环氧树脂、丙烯酸树脂、聚酯树脂等体系的粉末涂料。

　　环氧树脂体系硬而有韧性，可提供优异的机械性能、耐化学性和耐溶剂性，但其热稳定性、耐光、耐候性较差。聚酯树脂体系具备优异的热稳定性和耐候性，可在汽车零部件上应用。丙烯酸树脂体系具有良好的外观效果及优异的保光保色性，可用于制备轿车卡车车身外表面装饰性涂层。

　　1.2 工艺流程介绍

　　使用粉末涂料涂装汽车及其零部件在国外有成熟的应用案例，但在国内尚无整车应用经验。其在汽车生产上的应用主要有2条工艺路线，即用于车身涂装的工艺路线和零部件喷涂的工艺路线。其中车身粉末喷涂的工艺路线如下：

　　前处理→电泳→烘干→焊缝密封→粉末中涂→中涂烘干(160～180℃/15min)→检查及中涂打磨→除尘→粉末面涂喷涂→烘干(150～160℃/8～10min)→强冷→粉末清漆喷涂→烘干(180～200℃，/20min)→检查精修→下线

　　其中对于素色涂料而言，可取消粉末清漆喷涂;如在车身质量要求一般的情况下，可取消粉末中涂工序。

　　本项目是车厢项目，采用汽车零部件的粉末涂装工艺路线：

　　前处理→电泳→烘干→焊缝密封→粉末面涂喷涂→烘干(180～200℃/20min)→检查精修→下线

　　其中如果涂装金属涂料则采用面涂喷粉线循环2遍的方式，即第1遍喷涂粉末金属涂料，烘干后再进入面涂喷粉线进行粉末清漆喷涂及烘干。

　　1.3 粉末涂装工艺条件

　　1.3.1 喷涂工艺条件

　　相比水性涂料喷涂室温湿度环境，粉末喷涂对温湿度无严格的要求，推荐的*佳喷涂工艺条件：温度18～25℃，相对湿度40％～60％，喷涂窗口管理范围较宽，如图1所示。喷涂室的自动段风速：0.3～0.4m/s，人工段风速：0.5～0.6m/s。

　　1.3.2 烘干工艺条件

　　根据外观装饰性要求的高低选择烘干工艺条件。

　　通常，车厢零部件烘干条件为：180～190℃、20min。


　　1.4 粉末涂料的工艺装备

　　1.4.1 喷涂设备

　　粉末涂料喷涂有热熔和静电附着2种方式，汽车零部件的粉末涂装通常采用静电喷涂。

　　与传统液态涂料静电喷涂原理类似，接地的被涂物作为阳极，喷涂设备作为阴极，接上负高压电，在两极间形成高压静电场，阴极产生电晕放电，使喷出的涂料带负电，按同性相斥、异性相吸的原理，使带电的涂料在静电场的作用下沿电力线方向移向被涂物，再经加热熔融(固化)后成膜，粉末粒子的绝缘电阻都很高，当附着在被涂物后，其自身所保有的荷电量不能立即减少，能保持相当长的时间，在热熔融前能不受重力、空气流动和振动的影响，稳定地附着在被涂物表面。


　　常用的喷涂装备有自动往复机以及静电喷枪，常用的静电旋杯的供应商：ITW/SAMES/DURR



　　缺点：受制于粉末限制，机械臂手涡轮速度较慢，仅为液态涂料的30％，不适宜高节拍的自动喷涂线。

　　1.4.2 喷粉供粉系统

　　所谓粉，是小的固形物的集合体，它的细度至关重要。20μm的粉末粒子集合体，比表面积大大增加，具有易带静电、易受潮、易受热、易燃烧、易附着在物体上的特点，随着粒子个数的增加产生了难操纵、易飞散、难管理等问题，因此设备设计中应重点考虑粉末的比表面积大及安全性问题。

　　(1)粒径(粒度)分布

　　粉末粒子的直径称为粒径，粉末涂料粉筛后，去除粗的粒子，得到规定粒径分布范围的粒子，在使用原粉和回收粉时需考虑此要素。通常粒径在10μm以下的原粉需控制在10％的范围内，筛分去除粒径>50μm粉末粒子，中位粒径D50控制为38～42μm。粒径分布如图3所示。


　　体积密度：粉末涂料的质量和体积之比，用于对粉末容器的选择。

　　安息角：粉末积存难易程度的关键标准，供料斗设计和确定风管内风速。

　　(2)粉末爆炸极限

　　可燃物与空气混合比例表示粉末涂料的爆炸范围(上限、下限)，不同树脂的粉末涂料的爆炸极限略有不同，在设计粉房排气量时需考虑爆炸极限。

　　一套完善的喷粉供粉系统，通常包括粉末喷涂室、空调送风系统、喷粉供粉系统、粉末一级二级过滤回收系统，工件识别及电控系统，设备供应商根据外观质量、产线生产能力等，进行充分的计算，计算书应包含粉枪数量、出粉量、抽风量、上粉率等系统完整参数。喷粉供粉系统示意图如图4。

　　2 粉末性能试验及讨论

　　在选定的粉末涂装工艺基础上，模拟生产现场进行制板，验证涂层配套性、粉末涂层外观、机械性能、耐久性能等。

　　2.1 粉末涂料涂装配套性研究

　　研究粉末涂料与车厢涂装前处理材料、普通阴极电泳涂料、底面合一阴极电泳涂料的配套性能，分别与前处理电泳配套后进行相关性能测试，粉末涂料与电泳涂料配套后的性能测试项目见表2。


　　2.1.1 粉末涂料与底面合一电泳涂料的配套性验证

　　由于粉末面涂烘烤温度为180～190℃，而通常电泳涂层干燥温度仅150～160℃，存在不配套的风险。为避免前处理材料性能差异对粉末涂料性能的影响，本配套实验采用标准三元磷化板，分别进行了普通电泳涂料、底面合一电泳涂料与粉末的配套实验，由于车厢涂装线采用底面合一电泳涂料，因此重点对粉末与底面合一电泳涂料的配套性进行验证。

　　验证条件如下：

　　(1)阿克苏诺贝尔粉末涂料与普通电泳涂料烘烤温度180℃/20min。

　　(2)配套验证，粉末面涂烘烤温度为180℃/20min。

　　粉末涂料与电泳漆配套验证性能如图5所示。


　　经上述实验验证，性能均满足商用车涂层外观质量标准。

　　2.2 粉末涂料与密封胶的配套性验证

　　因正常的PVC焊缝密封胶的烘干条件为140℃/20min，而一般粉末涂料的烘干条件均为180～200℃/20min以上，为验证焊缝密封胶能否与粉末涂料实现湿碰湿以及在高温下是否出现开裂、附着力下降等问题，我们进行了密封胶与粉末面漆的配套性验证。

　　2.2.1 试验板制备

　　主要制板工艺流程如下：

　　前处理→底面合一电泳板→烘干→刮涂密封胶→喷涂粉末面涂→烘烤→检测性能

　　具体步骤如下：

　　(1)分别选取4块电泳板;

　　(2)用玻璃胶喷枪将密封胶挤出4道平行直线胶附着在电泳板上，并且将其中2道刮涂成平面;

　　(3)将上述试验板分别喷涂高光有色粉末涂料，再进行烘干，烘干条件分别为180℃/20min和200℃/10min;

　　(4)检测各种性能。

　　2.2.2 粉末涂料与密封胶的配套性比较

　　粉末涂料与密封胶的配套实验结果见表3。试验结果表明：粉末涂料与密封胶在两种烘干条件下，均配套性良好，可满足工艺要求。


　　3 粉末涂料车厢整板喷涂验证

　　在上海某粉末喷涂实验室进行了车厢整板喷涂蓝、白色粉末面涂验证实验，涂膜外观装饰性的优劣以涂膜外观及色差数据等指标来衡量。一般情况下，要求车厢涂膜：色差△E≤0.5～1.0;涂膜外涂膜平滑度(长波LW值)≤10～15，橘皮数据(短波SW值)≤20～25，鲜映性 (DOI)≥80为合格。

　　4 结语

　　文中所述的粉末涂料与电泳底漆具有良好的配套性，与密封胶配合无障碍，配套后涂层的综合性能满足车厢产品的涂装要求，可应用与实际生产。粉末涂料应用趋势是逐渐实现低温固化，粉末金属涂料与粉末清漆

　　无法实现“干碰干”施工要求，不同粉末有色涂料之间换色时间相对较长，需对喷涂室及粉末回收系统进行吹扫处理，粉末喷涂生产线速度不宜过快，不适用于颜色较多的乘用车生产。但粉末涂料应用于产品颜色较为单一的车厢等汽车零部件的喷涂，工艺控制整体较液体涂料简单方便，同时粉末涂料工艺装备费用远低于液体涂料，集成式的喷粉供粉回收系统，生产线制作、安装调试周期及运行能耗均较大幅度缩短，粉末涂料的利用率极高，且无废水，废渣，废气排放，具有极大的环保优势。

　　综合以上，粉末涂料具有明显的环保、投资、管理、运行能耗较低等优势，适宜于在颜色单一的汽车零部件。